Введение

Затраты на энергию относятся к наиболее значимым статьям расходов тепличного производства, а структура энергопотребления существенно различается в зависимости от климата, типа сооружения и выращиваемой культуры [5]. Поэтому меры по энергосбережению и автоматизации, эффективные для крупного комплекса, не всегда оправданы для малого хозяйства. Для такого хозяйства выбор последовательности модернизации не менее важен, чем выбор самого оборудования: средства ограничены, а ошибка в очерёдности вложений может надолго заморозить капитал.

Современные подходы к управлению микроклиматом рассматривают регулирование температуры, влажности и концентрации CO₂ как задачу оптимизации при заданных агротехнических ограничениях [6]. Однако для применения подобных методов необходимы достоверные данные о текущем состоянии объекта. В предыдущих работах автора показано, что цифровой мониторинг микроклимата является отправной точкой повышения эффективности малых тепличных хозяйств [2], а автоматизированная вентиляция обеспечивает стабилизацию температурно-влажностного режима [3]. Связь технологических показателей с экономическим результатом и бизнес-моделью тепличного хозяйства в условиях цифровизации рассмотрена в [4], а обобщённые результаты эксперимента и методические рекомендации изложены в учебно-методическом пособии [1].

Вместе с тем остаётся нерешённым практический вопрос: в каком порядке и в каком объёме вкладывать ограниченные средства, если мероприятия различаются стоимостью, эффектом и технической зависимостью друг от друга. Многокритериальные балльные оценки удобны для сопоставления альтернатив, но сами по себе не учитывают бюджетное ограничение; финансовые критерии, напротив, не отражают производственные риски и эксплуатационную устойчивость.

Цель настоящей работы — предложить поэтапный порядок модернизации тепличного хозяйства и методику приоритизации инвестиций, объединяющую балльную оценку мероприятий с выбором портфеля проектов по денежному потоку при ограничениях бюджета и технологической последовательности. Новизна работы состоит в сочетании экспериментально обоснованной очерёдности этапов модернизации с формализованной моделью отбора проектов и анализом устойчивости решения к изменению исходных данных.

Объекты и методы исследования

Эмпирической базой служат результаты эксперимента, проведённого автором в апреле–сентябре 2025 г. в поликарбонатной теплице 8 × 12 м (96 м²) в Краснодарском крае; подробное описание приведено в пособии [1] (разделы 2, 3 и 5) и в работах [2, 3]. Теплица была разделена на контрольную и опытную зоны с одинаковой агротехникой; выращивалась земляника садовая. В контрольной зоне применялось пороговое управление вентиляцией, в опытной — многопараметрическое, учитывающее температуру и влажность воздуха, наружные условия и освещённость.

Для регистрации параметров использовались датчики DHT22, DS18B20, BH1750 и MH-Z19, контроллер ОВЕН ПЛК100 и счётчик электроэнергии «Меркурий 201». Показания фиксировались с интервалом 1 мин и усреднялись по десятиминутным периодам. В настоящей статье эти данные используются для обоснования очерёдности этапов модернизации, а методика приоритизации инвестиций апробируется на расчётном примере проектной теплицы площадью 1 га. Для отбора проектов применены многокритериальная балльная оценка и полный перебор допустимых сочетаний проектов (задача о ранце с технологическими зависимостями).

Результаты эксперимента и этапы модернизации

Результаты эксперимента обосновывают поэтапную модернизацию из четырёх фаз: обследование с фиксацией исходных показателей; организация сенсорного мониторинга и электронного журнала; подключение управляемых элементов вентиляции с сохранением ручного режима; расширение системы после оценки фактического эффекта (табл. 1). Каждый этап завершается проверяемым результатом, что позволяет принимать решение о следующем вложении на основе измеренных данных.

Таблица 1

 Этапы модернизации

Таблица 2

Итоговые показатели контрольной и опытной зон

Источник: составлено автором по данным [1, табл. 3.4].

Адаптивное управление сократило число включений вентиляции на 39 % и суммарное время работы вентиляторов на 18 %, что и обусловило снижение энергопотребления вентиляционного оборудования на 13,2 %. Этот показатель характеризует только вентиляционную подсистему и не равен изменению общего энергопотребления хозяйства. Прирост урожайности на 16,6 % получен для земляники садовой в условиях эксперимента.

Экономическая модель модернизации

Технологический эффект преобразуется в финансовый результат при наличии подтверждённой реализации дополнительной продукции и фактических расходов на ресурсы [4]. Дополнительная выручка рассчитывается как ΔВ = (Q₁ − Q₀) × P, где Q — реализованный объём продукции, P — цена реализации. Экономия электроэнергии вентиляции: Э = (E₀ − E₁) × T, где E — сопоставимый расход электроэнергии, T — тариф. Дополнительный денежный поток ΔДП = ΔВ + Э + подтверждённая экономия труда − дополнительные эксплуатационные затраты. Простой срок окупаемости равен отношению совокупных инвестиций к годовому ΔДП при ΔДП > 0.

Таблица 3

Исходные данные для оценки окупаемости

Модель позволяет сравнивать мероприятия между собой; фактический срок окупаемости для конкретного объекта определяется после получения сметы, тарифа и данных о продажах. Проектные оценки энергосбережения для комплекса площадью около 1 га в пособии [1] рассматриваются отдельно от экспериментального результата, полученного на 96 м², и в данной работе этот результат на гектарный объект не переносится.

Методика приоритизации инвестиций

На первом шаге мероприятия оцениваются по пяти критериям: инвестиционная доступность (вес 0,25), ожидаемый операционный денежный результат (0,30), снижение производственных рисков (0,20), эксплуатационная устойчивость (0,15) и техническая совместимость с существующими системами (0,10). Сумма весов равна единице. Веса заданы автором как сценарные: повышенный вес денежного результата отражает задачу ограниченного финансирования, существенный вес риска — необходимость сохранять непрерывный цикл выращивания. Оценки от 1 до 5 присваиваются по заранее определённым шкалам (табл. 5), интегральный индекс рассчитывается как Sᵢ = Σ wⱼ·bᵢⱼ.

На втором шаге формируется портфель проектов. Вводится переменная xᵢ ∈ {0, 1} (1 — проект принят), бюджетное ограничение Σ Iᵢ·xᵢ ≤ B и технологические зависимости вида x_B ≤ x_A. Целевая функция — максимум суммарного дополнительного денежного потока Σ ΔДПᵢ·xᵢ. Интегральный индекс используется для предварительного отсева и учёта неденежных факторов, но не входит в целевую функцию, поэтому финансовая и балльная оценки не смешиваются. Капитальные вложения учитываются только в бюджетном ограничении, что исключает их двойной учёт.

Апробация методики на примере проектной теплицы площадью 1 га

Рассмотрены три мероприятия: A — контур цифрового мониторинга, B — автоматизация вентиляции, C — система затенения. Проект B технически требует предварительной реализации A; проект C самостоятелен. Дополнительный годовой денежный результат задан сценарно, после вычета операционных расходов (табл. 4). Эффекты проектов приняты аддитивными.

Таблица 4

Сценарные исходные показатели мероприятий

Срок окупаемости проекта B рассчитан при условии, что контур мониторинга уже действует; при его отсутствии оценивается связка A+B (3,30 года).

Балльная оценка. Для количественных критериев шкалы заданы интервалами, для качественных — описаниями уровней (табл. 5).

Таблица 5

Шкалы оценивания критериев

Примечание: оценки 4 и 2 балла присваиваются по промежуточным интервалам (для доступности: 0,5–0,8 и 1,1–1,4 млн руб.; для денежного результата: 0,28–0,35 и 0,12–0,20 млн руб./год) или промежуточным уровням описания.

Проект A получил 5 баллов за доступность (0,45 млн руб.) и 2 балла за денежный результат (0,12 млн руб./год). Мониторинг сам не регулирует микроклимат, но позволяет своевременно выявлять отклонения, поэтому снижение рисков оценено в 3 балла; отсутствие механических узлов и независимость от других систем дают 4 и 5 баллов. Проект B получил 2 балла за доступность (1,20 млн руб.), 5 баллов за денежный результат (0,38 млн руб./год) и 5 баллов за снижение рисков, так как непосредственно предотвращает перегрев и переувлажнение; наличие приводов и зависимость от мониторинга дают по 3 балла. Проект C оценён в 3 балла по доступности и денежному результату, в 4 балла — по снижению рисков (защита от перегрева в летний период), устойчивости и совместимости.

Таблица 6

Балльные оценки и интегральный индекс мероприятий

Наибольший индекс получил проект B (3,75), за ним следуют A (3,55) и C (3,45). Поскольку B реализуется только после A, балльная оценка указывает на связку A+B как на приоритетное направление. Все три проекта имеют индекс выше 3,0 и проходят предварительный отбор, поэтому окончательный выбор определяется бюджетом и денежным потоком.

Выбор портфеля. Результаты полного перебора допустимых сочетаний проектов приведены в табл. 7.

Таблица 7

Оптимальный портфель при различном бюджете

При бюджете 2,00 млн руб. допустимы наборы A+C (0,34 млн руб./год) и A+B (0,50 млн руб./год); преимущество A+B составляет 0,16 млн руб./год. Финансовый выбор совпадает с балльным ранжированием, что подтверждает согласованность двух шагов методики. Результат получен без дисконтирования и без учёта взаимного влияния эффектов.

Анализ чувствительности

Чувствительность балльного ранжирования проверена изменением каждого веса на ±0,05 и ±0,10 с последующей нормировкой суммы весов до единицы (20 вариантов). При отклонении на ±0,05 проект B сохраняет первое место во всех 10 вариантах. При отклонении на ±0,10 он остаётся первым в 6 вариантах из 10; в двух вариантах (рост веса доступности или снижение веса денежного результата) первым становится A, ещё в двух A и B получают равные индексы. Так как B реализуется только вместе с A, перестановка этих проектов не меняет рекомендуемой связки A+B; проект C ни в одном варианте не занимает первое место.

Чувствительность финансового решения оценена для связки A+B при бюджете 2,00 млн руб. (табл. 8). В базовом сценарии вложения составляют 1,65 млн руб., ΔДП = 0,50 млн руб./год, простой срок окупаемости — 3,30 года.

Таблица 8

Чувствительность денежного результата связки A+B

При удорожании проекта B на 20 % связка A+B остаётся в пределах бюджета (0,45 + 1,44 = 1,89 млн руб.), а при удорожании на 30 % требует 2,01 млн руб. и становится недопустимой; оптимальным портфелем в этом случае становится A+C (1,35 млн руб.; 0,34 млн руб./год). По доходности порог выбора определяется условием 0,12 + ΔДП_B > 0,34, т. е. A+B предпочтительнее A+C при ΔДП_B > 0,22 млн руб./год. Устойчивым следует считать решение, которое остаётся оптимальным во всём заранее заданном диапазоне исходных данных; для этого точечные оценки эффектов можно заменить интервалами и повторить перебор.

Обсуждение результатов

Апробация показала, что методика работоспособна при бюджетных и технологических ограничениях: балльная оценка и оптимизация по денежному потоку дают согласованный результат, а анализ чувствительности позволяет определить пороги, при которых решение меняется. Прибыльность конкретных проектов при этом не оценивалась: денежные показатели примера заданы сценарно. Допущение об аддитивности эффектов может нарушаться при совместном применении затенения и вентиляции, которые влияют на один и тот же температурный режим.

Полученные выводы согласуются с данными о том, что энергетические решения в тепличном секторе зависят от условий конкретного хозяйства [5], а управление климатом должно учитывать технические ограничения по температуре, влажности и CO₂ [6]. Поэтапный порядок модернизации развивает результаты [2, 3]: мониторинг создаёт информационную базу, на которой автоматизация вентиляции даёт измеримый эффект. Для производственного внедрения методики необходимо получить коммерческие предложения, журналы измерений, счета за энергоресурсы и данные сбыта, рассчитать NPV с учётом сезонности и стоимости капитала, а веса критериев определить с участием агронома, инженера, экономиста и руководителя хозяйства.

Заключение

1. Предложена поэтапная последовательность модернизации тепличного хозяйства (обследование, мониторинг, автоматизация вентиляции, расширение), в которой каждое вложение подтверждается измеренным результатом предыдущего этапа.
2. Экспериментально показано, что адаптивное многопараметрическое управление вентиляцией в теплице площадью 96 м² увеличивает долю времени в заданном температурном диапазоне на 22,3 п. п., снижает энергопотребление вентиляционного оборудования на 13,2 % и повышает урожайность земляники садовой на 16,6 %.
3. Разработана двухшаговая методика приоритизации инвестиций: многокритериальная балльная оценка мероприятий и выбор портфеля по денежному потоку с бюджетным и технологическим ограничениями. В расчётном примере для теплицы площадью 1 га наибольший интегральный индекс получил проект автоматизации вентиляции (3,75), а оптимальным при бюджете 2,0 млн руб. стал портфель «мониторинг + вентиляция» с годовым эффектом 0,50 млн руб. и сроком окупаемости 3,3 года.
4. Анализ чувствительности показал, что балльное ранжирование устойчиво к изменению весов на ±0,05, а финансовое решение меняется при удорожании автоматизации вентиляции более чем на 30 % или снижении её эффекта ниже 0,22 млн руб./год. Перед практическим применением сценарные финансовые показатели необходимо заменить фактическими данными хозяйства.